《红外传感器下的开关柜温度在线实时监测系统设计分析.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《红外传感器下的开关柜温度在线实时监测系统设计分析.doc（26页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、河北省高等教育自学考试毕业论文红外传感器下的开关柜温度在线实时监测系统设计分析专 业：电子信息工程专业（自考）作 者：吴桐准考证号：指导教师： 是否拟申请学位：是联系电话：完成日期：2018年7月7日红外传感器下的开关柜温度在线实时监测系统设计分析摘 要开关柜是输电、配电以及各种电力设备中非常关键的设备，对于电力系统的长期稳定运行、安全等具有重要意义。在设备运作过程中开关柜容易产热，局部的温度升高，从而导致相关的绝缘橡胶老化、各接触点老化，若无法及时对温度升高的地方进行相应的排查会造成很大的影响，从而产生巨大的经济损失甚至导致人生安全等问题。因此，对开关柜内易出现高温的部分进行实时温度监测具有
2、重要意义。选题结合MSP430F247以及相应的处理器件给出了一套开关柜温度在线监测系统的设计以及分析。系统采用非接触式红外温度传感器TS118-3对开关柜内部进行温度采集，传感器采集信号通过运放电路放大、有源滤波电路处理后送入MSP430F247进行模数转换并完成相应的数据处理。并完成对处理器的软件部分编程，数据处理方式为：采用多次测量取平均值的方式进行。处理后的实时温度通过屏幕FM1602进行实时监测，同时温度数据RS232上传至计算机，完成远程监测。选题基于红外传感器设计的开关柜温度在线实时监测系统可以广泛的应用于各种开关柜，对于电力系统的稳定运行具有重要意义。关键词：温度监测 红外传感
3、 开关柜 实时监测 MSP430目录一绪 论11.1 背景以及意义11.2 研究现状11.3 选题主要内容2二原理分析以及方案设计22.1 原理分析22.1.1 红外测温原理22.1.2 影响因素32.2 总体方案32.2 主要器件选型52.2.1 温度传感器的选择52.2.2 微处理器选择52.2.3 LCD选择62.2.4 串口通信模块选择6三硬件设计63.1 主控电路设计73.2 红外传感电路73.3 信号处理电路73.4 控制模块93.5液晶显示模块113.6 串行通信电路设计12四 软件设计124.1 单片机软件设计124.1.1 初始化程序设计134.1.2 温度处理程序154.2
4、 上位机软件设计164.2.1 串口设置174.2.2 串口数据获取174.2.3 指令发送184.2.4 温度显示程序19五结论以及展望205.1 结论205.2 展望21参考文献22一绪 论1.1 背景以及意义随着社会的进步以及发展，各种店里设备广泛的应用于各种场合，其中开关柜对于电力系统的稳定运行起到了至关重要的一环。然而开关柜由于长期工作，存在温度升高以及各种老化问题，需要对开关柜进行实时的监测，从而能够确保开关柜的正常工作，保障了电力系统的稳定运行。在各种电力设备以及开关柜中，往往是数十千瓦、高压大电流的场合，传统的通过工人去实时监控开关柜的温度几乎不可能，一来是温度的测量时在带电的
5、状态下进行的，同时对各种测量传感设备的研究非常高高，因此很有必要研发一套红外传感的开关柜温度在线实时监控系统，但是基于红外传感的监测系统软件硬件电路设计相对困难，但目前的基于黑体辐射定律的测温理论基础研究较为通彻1。鉴于以上，本选题针对各种电力系统中的开关柜中温度的实时监测进行系统设计以及分析，期望设计的系统能够在开关柜中进行温度监测，减轻工作人员的劳动量，同时提升温度监测的可行性。1.2 研究现状开关柜涉及到的一般是高压以及各种恶劣环境，因此对测温系统也提出了较高的要求，按照测温方式是否与开关柜接触，主要可以分为：接触式测温以及非接触式测温两种2,3。相对于传统的接触式测量方式虽然测量点位置
6、不受限制，传感器安装布局灵活、简单、可靠但是要求传感器在高温、强电场、强磁场环境条件下具有较强的可靠性4。而非接触式测温的接收器(传感器)可远离被测对象，可以有效的与高温以及高电压物体相隔离，保护了测量仪器同时也不会对被测物体的温度产生影响。但是非接触式测量也有不足，温度的测量受到空间介质的影响较大，如果有水汽之类的则对温度的测量有较大的影响5。 在非接触式测温中有3：光纤测温以及红外辐射测温法；红外辐射测温主要是通过对物体红外辐射进行监控并按照一定的方式转换成为温度参数，并且可以通过大量的数据对测温相关的参数进行修正，获得较为准确的实时监控温度数据6。目前国内外开关柜测温实时监控系统上主要是
7、研究在系统的测温上以及数据的传输方式上，比如：非接触式的红外测温7、光纤测温以及采用DS18B20集成传感器的测温系统，在实时在线监控的数据传输上，主要有：无线通信的研究8、基于红外通信的测温系统以及相应的RS-485技术的通信9。1.3 选题主要内容本选题是基于红外传感对开关柜的温度进行实时监控，并对系统进行分析以及测量，选题的主要内容安排如下：第一章：首先对选题的背景意义进行阐述，说明为什么要对该选题进行研究，同时该选题研究有何价值，并对国内外的相关研究进行综述分析，最后给出了本选题的主要研究内容。第二章：主要是对红外传感器下的开关柜温度在线实时监测系统应用到的基本原理进行分析，重点对红外
8、测温的几个物理定律进行总结，完成方案设计以及电子电路元器件的确定等工作。第三章：在前面对总体方案设计以及主要器件选型的基础上，对硬件电路进行了设计，重点完成了主控电路的设计、红外传感电路以及控制电路等电路设计。第四章：结合硬件电路的需要，主要对MP430的相关程序进行了编写，同时完成了程序的调试，针对实时监控的需要，并完成上位机的温度接受。第五章：对选题的主要内容进行了总结，对研究内容的得失进行了相应的分析，给出了进一步研究的展望。二原理分析以及方案设计2.1 原理分析2.1.1 红外测温原理在自然界中，任何物体都在无时无刻的向外界释放辐射，然而不同温度的物体释放的辐射量不一样，因此可以通过测
9、量物体辐射从而实现对物体温度的测量10。主要有：斯蒂芬-波尔兹曼定律、维恩位移定律、基尔霍夫定律、普朗克定律，通过对这些物理定律的分析可知物体所发出的红外辐射能量的强度与其温度成正比，即完成对红外辐射的实时监测，既可以完成对开关柜系统温度的实时监测。2.1.2 影响因素选题设计的红外温度传感的温度监控系统可以对开关柜温度进行实时的采集，可以大大的提高测温系统对开关柜温度的监控，从而提高电力系统的安全性。但是温度系统的采集容易受到外界的干扰，主要包括11：待测目标辐射率、待测目标尺寸、测量距离、环境影响。温度数据的采集对于单片机数据的处理以及后续的监控有着至关重要的作用，因此我们要对温度数据采集
10、相关的影响因素尽量的排除。其中最为主要的是待测目标的辐射率，因此，在对物体进行温度测量的过程中，要准确的知道常见物体的辐射率，对于准确的测定物体的温度以及辐射显得尤其重要。2.2 总体方案根据系统设计的要求，主要实现高压开关柜温度非接触在线监测，通过计算机相关界面可以实时监测开关柜中的温度，具体系统结构流程图见图2-1。选题设计的开关柜温度在线实时监测系统的主要系统包括：红外温度传感模块、信号处理模块以及相应的上位机模块。图 01 系统结构总体结构主要包括：成温度信号采集的主电路、信号调理、数据处理、温度显示、数据传输等功能，因此可以将硬件电路分为以下几个模块。（1）信号采集系统采用具有安全、
11、准确、快速等优点的红外温度传感器进行温度信号采集。红外温度传感器感知被测物体的温度和环境温度，然后通过内部调理电路处理，分别将被测物体红外辐射能量和环境温度信号转化为电压信号和电阻信号，再送入后续调理电路进行相应处理。（2）模拟信号处理 红外温度传感器输出被测目标温度信号大都为毫伏级甚至微伏级的电压信号，且传感器和整个测量装置处于高温、高压、高磁场的环境中，其输出信号携带大量噪声，因此在进行后续处理前首先应该对传感器信号进行适当的放大滤波处理，滤除噪声，放大有用信号。传感器输出为一直流信号和K级电阻值，所以该部分电路实现微弱直流信号低通滤波和放大。此外，由于单片机只对电信号进行处理因此该模块同
12、时还完成电阻值信号到电压信号的转换。（3）数据处理通过处理器对测温数据处理后，得到的测温数据通过显示屏显示，同时将数据储存起来，等待上位机查询时，一旦有查询指令到来就将存储的数据以规定的格式送出。本设计中采用的MSP430F247系列单片机集成了12位的AD，对于本次设计已经满足测量精度要求，因此在该部分电路中无需外加AD，直接使用单片机集成AD即可。（4）温度显示采用LCD对被测物体温度进行实时显示，实现人机数据交互，方便工作人员在进行设备巡查时了解其温度信息。（5）数据传输与通信本次设计中只设计制作单个测温点不存在多点通信的问题，因此只要单片机接收到串口中断，就会将存储区中存储的温度数据传
13、送到上位机，由上位机完成相应处理。（6）上位机软件功能上位机软件主要实现数据接收处理以及温度显示的功能，由串口设置、温度显示、曲线绘制等几部分组成。通过上位机可以实时的对开关柜温度进行监控，再通过温度曲线绘制，实时温度显示实现对当前目标温度的显示，而不能展现一段时间内开关柜温度情况，温度曲线是为了描绘某一时间段内开关柜的温度情况。2.2 主要器件选型2.2.1 温度传感器的选择传感器的选择是至关重要的，直接关乎系统数据输入的准确性，综合考虑各种因素，本选题需求的温度传感器要求：线性度好，绝缘性好，灵敏度高且测量方便，性价比高。鉴于以上，本选题采用TS118-3型非接触式红外温度传感器，该型号唯
14、独传感器是生产于江门市安泰电子有限公司的。图2-2给出了传感器的主要结构接线示意图，通过接线示意图可以对传感器的大致工作原理有个初略的了解。图 02 传感器内部电气连接底视图综合上述因素，该设计温度传感器采用精度高、稳定性和重复性好、外涂绝缘保护层的薄膜铂电阻Pt100进行测温。由此可见，本选题的温度传感器选择比较好。2.2.2 微处理器选择综合在线测温系统的要求以及对处理数据的要求，选用TI公司推出的单片机MSP430F247作为主处理器。该处理器具有较高的性价比，16位单片机，功耗低且适应环境复杂，同时对于程序的编写要求也较低，也能够进一步简化电路设计以及外围元器件。但是测量效果并没有变差
15、，相反，测量效果变得更加好。在考虑多方面因素后，本次设计最终选定了选用TI公司推出的单片机MSP430F247作为主处理器。图 2-3 MSP430F247结构图2.2.3 LCD选择选题设计中，结合具体需要，采用FM1602显示屏进行相应是温度显示，该现显示屏幕可以显示162个字符，工作电压在4.55.5V范围且工作电流较小，同时屏幕的尺寸刚好合理。2.2.4 串口通信模块选择串口通信模块的选择对于实时监测数据的上传是至关重要的，本次设计选用的是一种双组驱动器/接收器，型号为MAX232，同时该串口工作电压为单电源供电，对电源系统的要求也较低，方便设计。三硬件设计系统硬件电路的设计主要包括主
16、控电路的设计以及传感电路的设计、控制模块电路的设计，以及后续的温度实时监控系统的设计，以下是对各个部分电路进行详细的设计以及分析。3.1 主控电路设计对于一般的单片机系统，辅助电源部分的设计尤其重要，电源主要包括：5V、3.3V、2.5V输出。电源输入采用5V USB电源进行供电输入，并通过LM317稳压模块获得其他所需的电源，具体如图3-1所示。图 3-1 电源模块3.2 红外传感电路结合选型的传感器，对电路的原理图进行设计，给出了如图3-2所示的原理图设计，所获得信号通过TP-TP+输出。图 3-2 传感器采集3.3 信号处理电路对于传感器采样温度物理量需要转换成为电压信号供处理器使用，在
17、本设计中将阻值信号转换为电压信号，其原理如3-3所示，将该热敏电阻与一固定电阻串联分压，取热敏电阻上的电压再经过一射随器后输入MCU，防止数字信号受模拟信号的干扰。图 3-3 电阻到电压转换对于采样信号小，易被干扰等特性，采用仪表前级放大电路INA128,具体设计电路如图3-4所示。图 04 INA128仪表前级放大电路通过仪表前级放大电路能够对信号进行放大同时也能够抑制一部分噪声信号，但考虑到电路的相互干扰和实际环境，需在放大之后再加一低通滤波器，滤除其他噪声。在本设计中，考虑到采样信号为温度信号为一直流电压小信号这一特点以及滤波电路实现的难易程度，此处采用巴特沃兹低通滤波器，其原理如图3-
18、5所示。图 05 巴特沃兹低通滤波器滤波电路最重要的一个性能指标为通带截止频率fc=1/2RC，根据直流信号的特点，选取R8=20K，C=510nF，可计算得fc15HZ。综上所述被测物体温度电压信号前端处理电路设计如图3-6图 06 滤波电路处理3.4 控制模块控制模块在整个系统中起着最关键的作用，不仅要实现电路的控制、而且还要进行相应的数据的处理传输。根据单片机工作的必备条件和需要实现的功能，该电路设计主要包括外接晶振、JTAG口、上电复位电路以及IO接口电路。晶振为整个系统提供时钟信号，供单片机的CPU和AD进行数据处理使用，由于信号采集速度要求不高，因此本设计中采用32.768KHz低
19、速晶振。图 07 晶振电路MSP430F247JTAG是单片机程序烧制的必须接口，其标准为IDC- 14封装形式，其第2脚3.3V，第9脚GND接地，其余l脚TDO、3脚TDI、5脚TMS、7脚TCK、11脚 RESET分别接到MSP430F247对应接口。图 01 JTAG电路单片机长期工作难免会出死机，因此对单片机要进行定时的复位操作。复位电路由电阻、电容、二极管以及按键组成如图3-8，3.3V接到二极管然后再接按键接地，从电阻和电容、二极管和按键之间引出信号接到MSP43OF247的 RST/NMl脚。电容和电阻组成上电复位，当单片机上电时自动复位，而在单片机运行过程中则通过按键S0进行
20、手动复位。图 08 复位电路因此单片机电路连接如图3-9图3-9 单片机电路连接3.5液晶显示模块根据前面对FM1602液晶显示器的介绍，其电路连接如图3-10。LCD显示器的第714脚为数据IO口，分别与MSP430F247单片机的第5组IO相连，读写控制端口和使能端口与单片机第5组IO口的前三个IO相连，通过控制三个IO口的输出控制LCD的状态。第3脚接一电位器，调节电位器控制显示对比度。15脚接+5伏电源，控制LCD背景灯。图 010 LCD显示3.6 串行通信电路设计结合选型的串口通信模块RS-232，对串口同行电路进行设计，得到设计电路如图3-11所示。图 011 串口通信电路四 软
21、件设计4.1 单片机软件设计对MSP430F247进行相应的软件编程，红外测温系统软件主要包括： AD转换、LCD显示、数据转换、数据发送等。具体的系统软件流程如图 41所示。图 01 单片机软件流程图系统的主要程序包括：系统初始化、数据处理以及温度显示等。具体的程序分别如下：4.1.1 初始化程序设计（1）时钟初始化 MSP430F247给出了 3种基本的时钟信号，在本设计中，采用： SMCLK由软件选作外围模块的时钟信号。本设计中时钟信号由32768HZ的低速晶体产生，程序如下：void int_clock(void) if (CA. .LBC.1_8MHZ =0xFF | CALDCO_
22、8MHZ = 0xFF) while(1); BCSC. .TL1 = CALBC1_8MHZ; / 设置DCO为8MHz DCOCTL = CALDCO_8MHZ; P5DIR |= 0x78; / 将P5.6、5、4、3 设置为输出 P5SEL |= 0x70; / 选择P5.6、5、4 （2）AD初始化 对AD初始化进行设计，得到具体程序如下。void init_adc12(void) P6SEL |= 0x03; / 将A0，A1设置为输入 ADC. .12CTL0 = ADC1 .2ON; / 开启AD12 ADC12CT .L1 = CONSEQ_3+SHS_1; / 序列通道多次
23、转换 ADC12 .MCTL0 = INCH_0 + SREF_0; AD .C12MCT .L1 = INCH_1 + S .REF_0 + EOS; / 参考电压为VCC和VSS ADC12IE = 0x0002; / 使能ADC12IFG.1标志 （3）LCD初始化 LCD作用是将被测物体的实时温度信息显示出来，此次采用的LM1602液晶显示器进行显示，具体程序如下。：void init_LCD1602() int i,j;write_com(0x01); write_com(0x38); write_com(0x0c); /开显示,无光标显示 write_com(0x06); /写一个
24、字符后，地址加1，光标指针加1 void write_com(uchar com)check_busy();CLR_RS; CLR_RW; /指令寄存器写入RS=0,RW=0 DataPort=com;SET_EN; _NOP();CLR_EN;（4）UART初始化 本选题设计中，对UART进行初始化，具体程序如下：void init_uart(void) UCA0CTL1 = UCSWRST; /初始化UCA0 UCA0CTL1 |= UCSSEL_1; /串口通信时钟为ACLK UCA0BR0 = 0x03; /波特率为9600 UCA0BR1 = 0x00; UCA0MCTL = 0x0
25、6; P3SEL = 0x30; /将P3.4、5设置为串口通信模式 UCA0CTL1 &= UCSWRST; /初始化UCA0状态机 IE2 |= UCA0RXIE; /使能UCA0接收中断4.1.2 温度处理程序（1）环境温度程序处理结合硬件电路以及相关数学公式对程序进行设计，环境中具体温度处理程序如下：void int_dataconvert(int array) float vi,r; long int temp,a,b,c,d,i,aver,sum=0; for(i=0;i8;i+) sum=sum+arrayi; aver=sum/8; vi=aver*3300.0/4095.0;
26、 r= vi*2000.0/(5.0-vi)/1000.0; temp=(int)(-412.6)+140.41*(sqrt(1.0+0.00764*r)；（2）目标温度处理被侧物体温度受到环境中温度影响，可以通过下式计算： (4-1)被测物体目标温度程序如下：void int_dataconvert0( int array,int t) float vi,; int t0,a,b,c,d,i,temp,aver,sum=0; t0=t; p=1.0; for(i=0;ipvData);while(Buffer_len)for(int i=0;i3;i+)RS_Buffi = RS_Buffi
27、+1;RS_Buff3 = *ucReciver;ucReciver+;Buffer_len-;if(RS_Buff0=0xaa&RS_Buff3=0x55)Temperature = RS_Buff1*10+RS_Buff2;Temperature = Temperature*2;m_Scroll_Map.SetScrollPoint(Temperature);/更新温度值break;UpdateData(false);上述详细程序见附录2。图 4-2 温度显示窗口图五结论以及展望5.1 结论本文针对目前的电气柜测温监控系统进行了设计以及分析，以MSP430为控制核心，设计了红外传感的电气柜
28、温度控制系统。主要完成了以下工作:（1）完成了开关柜红外传感器温度采集部分设计、数据处理等硬件电路设计；（2）基于RS232实现了软件硬件实时通信；（3）完成上位机软件程序编写，对温度进行实时监测。通过非接触红外传感测温，获得测量信号经前置仪表前级放大电路以及有源滤波电路处理后，由MSP430F247集成的12位AD转换成数字信号再通过处理器进一步在显示器上完成显示，同时采用RS-232串口实现实时温度数据的监控。5.2 展望本次选题设计师一次探索性设计，通过对基本原理的分析以及硬件、软件系统的设计，基本达到了既定目标的要求。但是由于本人学识、时间以及考虑实验场所等，还需哟进一步完善，如：可以
29、近一部优化控制部分程序，提高程序的执行速度以及程序的可读性。同时上位机软件仅完成简单的温度实时显示功能，后期还可以进一步加入温度报警等系统。参考文献1 龚惠红, 刘敏, 李建雄, et al. 基于单片机的非接触式温度计的设计J. 湖北科技学院学报, 2016, 36(3): 15-16.2 周书铨. 红外辐射测量基础M. 上海交通大学出版社, 1991.3 钱祎. 基于红外传感器的开关柜温度在线实时监测系统设计D. 南京理工大学, 2009.4 常蕾. 黑体空腔高温传感器温度特性的仿真研究D. 燕山大学, 2011.5 赵小兰, 胡征, 马国欣, et al. 便携式红外线人体测温仪的设计J
30、. 电子测试, 2013, (11x): 1-2.6 邱林. 基于无线传感器网络的变电站电器温升监测技术研究D. 沈阳工业大学, 2012.7 杨军. 高压开关柜触头温度监测系统D. 西安电子科技大学, 2009.8 张璇. 基于51单片机的红外测温仪的设计与实现J. 硅谷, 2010, (19): 52-53.9 王昀兵. 基于RS485局域网络的温度采集系统设计J. 科技风, 2011, (6): 28-28.10 郝旭欢, 常博, 郝旭丽. 基于TN9红外温度传感器的红外测温仪设计J. 中文信息, 2016, (7).11 陈远金, 程永进, 吴雄伟. 红外温度传感器的设计与实现J. 红外, 2006, 27(2): 38-40.第22页，共计22页